硫化氢是一种对人体有害的有毒气体，既是微生物分解的产物，也是人体生理过程中重要的生物标志物。在许多应用场景中，需要对其实现ppb级别的痕量检测，这对生命安全、食品监测、人体健康等领域具有重要意义。然而，现有的硫化氢气体传感器通常在室温下灵敏度不足，难以满足痕量检测的要求。近年来，可穿戴气体传感器因其在持续健康监测、安全防护等方面的广阔应用前景而受到广泛关注，但现有气体传感器大多难以形变、功耗较高，难以真正应用于可穿戴设备。因此，开发一种兼具可穿戴性与高灵敏度的硫化氢传感器，成为当前面临的一项重要挑战。

本文亮点

  1.针对水凝胶实际应用中易受损坏的问题，开发出一种兼具抗损伤性和可降解性的皮革水凝胶，为传感器的柔性及稳定工作提供了可靠的电解质支撑,适用于可穿戴设备的开发。

  2.提出了柔性、自供电气体传感器的设计思路，成功实现了可穿戴、自驱动、室温工作的硫化氢传感器，具有超低检测极限（0.109 ppb），并且结合密度泛函理论（DFT），揭示了基于电荷转移产生电压响应的传感机理，为高性能气体传感器设计提供新思路。

  3.依托传感器的高灵敏性能，结合蓝牙与云技术实现无线远程监控，完成了肉类新鲜度监测、无线报警、牙周病检测的应用场景展示，拓展了传统硫化氢传感器的使用场景。

  中山大学吴进课题组开发了一种以皮革水凝胶为电解质、基于原电池结构的自供电柔性硫化氢气体传感器。该传感器所采用的皮革水凝胶继承了皮革优异的机械性能，展现出卓越的柔韧性，有效解决了传统水凝胶易损坏的问题，同时具备可降解特性，使其具有环境友好性。自供电的传感结构使传感器能够在室温下工作，具有低功耗、超低检测限等优点，并可在缺氧、高低温、潮湿等复杂环境中稳定运行。通过实验与密度泛函理论计算相结合，提出并验证了基于电荷转移产生电压响应的传感机理。进一步结合蓝牙与云技术，实现了远程监控，并成功应用于智能食品包装、无线警报及牙周炎检测场景。该研究为开发高性能、低成本的超低功耗可穿戴气体传感器提供了新思路，对环境安全监测与人类健康防护具有重要的应用价值。

  2026年4月8日，相关研究以A Self-Powered, Ultrasensitive, and Flexible Gas Sensor Based on Tough and Degradable Leather Hydrogel for Portable Wireless Trace H₂S Detection为题发表在Advanced Functional Materials上。

1.基于皮革水凝胶的自供电硫化氢传感器概要

  为实现兼具可穿戴性与高灵敏度的硫化氢气体传感，本研究创新性地构建了一种基于坚韧可降解皮革水凝胶电解质与原电池构型的自供电柔性H₂S传感器（图1）。该水凝胶通过皮革水解制得：将皮革浸入酸或碱溶液中，胶原纤维中的肽键发生水解断裂，释放出大量氨基、羧基等亲水性基团，使皮革吸水溶胀，形成水凝胶（图1a）。该水凝胶兼具抗损伤性与可降解性。以其为电解质，两端缠绕银线与锌线作为电极，构成原电池结构。当传感器吸附硫化氢后，硫化氢在电极-电解质界面引发电荷转移，导致开路电压发生变化，该变化即作为传感响应信号。整个测量过程无需外部供电，传感器工作于自供电模式（图1b）。基于该结构，传感器实现了ppb级别的高灵敏痕量检测，能够检测人体呼出气中的微量硫化氢，并成功应用于评估牙周炎严重程度（图1c）。进一步地，通过将传感器与定制化无线监测电路集成，研究开发了一种柔性无线监测系统，可应用于无线警报，为工业生产中的工作人员提供随身安全预警。此外，传感器可置于食品包装内部评估食品新鲜度，实现对储存与运输过程中食品新鲜度的实时监测（图1e）。这种兼具可穿戴与高灵敏特性的实时硫化氢传感器，成功展示了其在多种高性能场景中的适用性，为可穿戴医疗监测设备、先进食品储存技术及可穿戴安全警报系统的开发提供了创新思路。

图1 皮革水凝胶 H₂S 传感器的设计和应用。

2.皮革水凝胶材料特性表征

  本研究通过可控水解与LiCl盐浸处理制备坚韧可降解的皮革水凝胶，制备过程分为两步，第一步将皮革浸入NaOH溶液中加热水解，产生亲水基团使皮革吸水溶胀形成水凝胶，第二步将水凝胶浸泡于LiCl溶液中引入Li⁺对其进行改性（图2a）。傅里叶变换红外光谱分析显示1685 cm^-1 与 1485 cm^-1 处肽键特征峰强度显著降低，1590 cm^-1 与 1350-1450 cm^-1 处羧基特征峰增强，证实胶原水解与亲水基团生成（图 2b）。水解程度会影响水凝胶的交联程度以及亲水基团的数量，可通过选择合适的水解时间来调控材料力学性能与保湿性（图2c）。由于盐析作用，Li⁺的引入增强了水凝胶的机械性能，并且使得保湿性进一步提升，长期保存下电导率保持稳定（图2d-f）。为直观说明该水凝胶优异的机械性能，与其他高强度水凝胶进行对比，可见在模量和疲劳阈值方面具有显著优势（图2g-h）。图2i展示了水凝胶能够抵抗穿刺、提取重物的实物图，说明其不易损坏的特性，解决了传统水凝胶实际应用中易受损坏的问题。图2j-k展示了水凝胶的可降解性，能够在土壤中自然降解或者在酸/碱溶液中快速降解，有利于减少电子垃圾污染问题。以上优点使该水凝胶适用于可穿戴设备的开发。

图2 皮革水凝胶材料表征。

3.传感器设计与性能表征

  针对当前传感器需降低功耗、室温灵敏度不足的问题，本研究以 Ag/Zn 为电极对、皮革水凝胶为固态电解质构筑原电池型自供电 H₂S 传感器件，并系统测试其基本气敏性能（图 3a）。通过电极筛选发现，Ag 电极对 H₂S 呈现特异性弱化学吸附，因此作为工作电极，而Zn电极对H₂S几乎无响应，使Ag/Zn组合具有最大的响应信号，因此作为参比电极（图 3b）。构建的传感器具有优异的气敏性能，能有效反应不同硫化氢浓度的动态变化，在低浓度下具有更高的灵敏度（图3c-d），并且拥有良好的选择性、响应重复性、长期稳定性（图3e-g）。此外探究了传感器的痕量检测能力，在低至0.5-2ppb 的浓度范围内，传感器能产生清晰可分辨的响应信号，并且在极低浓度下依然具有良好的响应重复性。经过计算得到传感器的理论检测极限为0.109 ppb，为当前已报道硫化氢电化学传感器中的最低检测限。以上结果直观说明了传感器在ppb级硫化氢检测中的能力。

图3 硫化氢传感器的室温传感性能。

4.传感器的环境稳定性和串联拓展

  传感器在实际应用中需面对复杂多变的环境条件，为此本研究系统评估了其环境适应性，考察了不同环境因素对灵敏度的影响。结果表明：在氮气与空气气氛下，传感器灵敏度无明显差异，具备在缺氧环境中稳定工作的能力（图4a）；在0-30%的拉伸应变范围内响应保持稳定，展现出优异的形变适应能力（图4b）；在-20至40°C的温度区间内仍能实现有效检测，具有宽温域工作能力（图4c）；在21%-82%的相对湿度范围内响应规律一致，经疏水封装后可进一步提升稳定性（图4d）。与近期报道的其他高性能传感器相比，本传感器在自供电、柔性、可降解、室温工作及检测限等方面具有显著优势（图4e）。由于该传感器基于开路电压响应，多个传感单元串联后可显著提升响应幅度与灵敏度；同时，依托其自供电特性，输出电压可直接驱动LED，实现对H₂S浓度的无源可视化指示（图4f-i）。上述结果充分体现了本传感器在自供电、室温高灵敏以及环境适应性等方面的综合优势，为高性能电化学气体传感器提供了一种革新方案。

图4硫化氢传感器的环境稳定性和串联拓展。

5.传感机理探究

  本研究结合电极屏蔽实验与密度泛函理论（DFT）计算，揭示了皮革水凝胶基自供电传感器的H₂S响应机理（图5）。电极界面屏蔽实验表明，H₂S主要在Ag-水凝胶界面发生吸附并诱导电位变化，Zn电极几乎不参与响应（图5a-b）。DFT计算结果显示，H₂S在Ag表面的吸附能为-0.194 eV，属于弱化学吸附，显著强于其在Zn表面的物理吸附（图5c），进一步证实Ag-水凝胶界面是主要的反应位点。通过对银电极固液界面进行建模，并计算H₂S不同形态的吸附能，发现H₂S倾向于以解离态HS^-的形式吸附（图5d）。吸附过程中的电荷转移分析表明，H₂S向Ag表面转移电子，改变双电层的极化电荷分布，最终导致开路电压下降（图5e-f）。电极的SEM图像显示，在长时间测量H₂S过程中，电流通路会对电极产生明显的氧化腐蚀，而开路条件下则无明显变化，体现出该自供电结构在延长电极寿命方面的优势。上述结果从实验与理论阐明了基于电荷转移产生开路电压变化的传感机制，同时证实该工作模式可有效延长电极寿命，为高性能自供电气体传感器的设计提供了理论支撑。

图5 硫化氢传感器的传感机理。

6.硫化氢传感器的应用展示

  基于皮革水凝胶的硫化氢传感器凭借室温高灵敏度、良好的柔韧性及低成本优势，在食品保鲜、环境监测与医疗健康领域展现出创新应用价值。本研究进一步将该传感器与蓝牙电路及云端传输技术集成，构建了无线传感系统，并开展了多场景实际应用演示（图6）。

  将传感器置于肉类包装内，可实时监测腐败过程中H₂S浓度的变化，通过云端数据实现食品新鲜度的远程判别，即使在腐败早期也能及时发现（图6a-c）。搭建的无线泄漏报警模块可在H₂S浓度超标时，于手机端即时触发预警，为工业生产安全提供随身监测保障（图6d）。利用该传感器对ppb级H₂S的超高灵敏响应，分别检测健康者、轻中度及重度牙周炎患者的呼气样本，结果显示响应信号随病症加重而显著增强，表明传感器具备用于牙周炎程度诊断的潜力（图6e-g）。以上应用结果充分证明，该传感器在智能食品包装、工业安全预警及无创疾病筛查等领域具有实用化潜力。

图6 硫化氢传感器在不同应用场景中的演示。

  论文信息：Wenhui Zhong, Le Yang, Yubin Zhou, Yibing Luo, Dijie Yao, Huizhi Chen, Kun Lei*, Hu Long, Kai Tao, Fengwei Huo*, Jin Wu*

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202532190